Спосіб дифузійного зварювання матеріалів

Корисна модель відноситься до зварювання, зокрема до технології виготовлення конструкцій з нероз'ємними з'єднаннями тиском, а саме дифузійним зварюванням металів і сплавів, і може знайти застосування в машинобудівній, авіакосмічній, приладобудівній галузях тощо. Відомо про спосіб дифузійного зварювання, при якому в процесі зварювання одночасно зі стисканням на деталі, що зварюються, передають механічні коливання [А. с. СССР №998058, Способ диффузионной сварки, О.Н.Крюков, В.И.Беляков]. Цей спосіб дифузійного зварювання потребує застосування додаткового устаткування для створення механічних коливань. Відомо про спосіб дифузійного зварювання, при якому у процесі підготовки деталей, що зварюються, на поверхні однієї з деталей, що з'єднуються, створюють стискаючі однорідні внутрішні напруження, а на поверхні іншої деталі, що з'єднується, створюють однакові розтягуючі внутрішні напруження [А. с. СССР №1260145, Способ сварки разнородных материалов, П.К.Янышев]. В цьому способі дифузійного зварювання ускладнено процес механічної підготовки поверхонь, що з'єдн уються. Найбільш близьким по технічній сутності є спосіб дифузійного зварювання виробів, що мають полку та стінку, при якому стискувальне зусилля додають перпендикулярно до поверхні контакту матеріалів, нагрівають елементи, що з'єднуються, до температури зварювання і здійснюють ізотермічну витримку, а в процесі пластичної деформації поверхонь, що зварюються, зміщують один з елементів на величину пластичної деформації [Патент РФ №2167749 Способ диффузионной сварки двух элементов, И.И.Столяров, С.В.Цыпков]. Вказаний спосіб не забезпечує високу якість зварювання, внаслідок складності забезпечення рівномірного тиску по всій з'єднуваній поверхні, призводить до значних зварювальних деформацій, внаслідок неможливості зосередити деформації в зоні контакту, має вузьке коло можливого використання способу, потребує застосування додаткового устаткування для зміщення однієї з деталей. В основу корисної моделі поставлено задачу удосконалити спосіб дифузійного зварювання матеріалів, у якому нова сукупність дій дозволила забезпечити інтенсифікацію термодеформаційних процесів у зоні з'єднання, завдяки чому підвищується якість зварювання. Вирішується задача тим, що у способі дифузійного зварювання матеріалів, який включає в себе нагрів з'єднуваних деталей до температури зварювання, їх стиснення і витримку при заданих умовах зварювання, згідно з пропозицією створюють циклічне зниження та підвищення температури. Кількість циклічних знижень та підвищень температури, а також кількісний розмір циклування вибирають в залежності від механічних властивостей з'єднуваних матеріалів при температурі зварювання та від чистоти підготовки з'єднуваних поверхонь. При нагріванні стиснутих деталей, виготовлених з матеріалів, які мають різні теплові коефіцієнти лінійного розширення (ТКПР), на поверхні контакту деталі з більшим ТКПР виникають стискаючі напруження, а на поверхні контакту деталі з меншим ТКЛР виникають розтягуючі напруження. При охолодженні цих деталей, на поверхні контакту деталі з більшим ТКЛР виникають розтягуючі напруження, а на поверхні контакту деталі з меншим ТКЛР виникають стискаючі напруження. При досягненні цими напруженнями величини границі текучості матеріалу, як при нагріванні так і при охолодженні, виникає змяття існуючих мікронерівностей з'єднуваних поверхонь, внаслідок чого збільшується фактична площа контакту деталей. Завдяки збільшенню фактичної площі контакту процеси дифузії йдуть з більшою інтенсивністю, що забезпечує отримання високоякісного, бездефектного зварного з'єднання. Для пояснення суті способу наведені такі рисунки: Фіг.1 - схема з'єднання деталей при зварюванні армко-заліза (1) зі сталлю 12Х18Н9Т (2); Фіг.2 - залежність температури від часу при зварюванні армко-заліза зі сталлю 12Х18Н9Т; Фіг.3 - мікроструктура зварного з'єднання армко-заліза і сталі 12Х18Н9Т (х250); Фіг.4 - схема з'єднання деталей при зварюванні міді М1 (1) з армко-залізом (2); Фіг.5 - залежність температури від часу при зварюванні міді М1 і армко-заліза; Фіг.6 - мікроструктура зварного з'єднання міді М1 і армко-заліза (х250). Здійснення способу дифузійного зварювання показано на наступному прикладі. Проводили дифузійне зварювання деталі, виготовленої з армко-заліза (1) і деталі (2) зі сталі 12Х18Н9Т (Фіг.1). Деталі встановлювали в зварювальну камеру установки дифузійного зварювання і після досягнення вакууму 10-4мм.рт.ст. нагрівали до температури Т1=1000°С і стискували постійним зусиллям, яке забезпечує тиск Рзв=15,0МПа. Потім знижували температуру до Т2=800°С зі швидкістю 2°С/с. По досягненні T2 підвищували температуру з тією ж швидкістю до Т1 і так три цикли (Фіг.2). В останньому циклі нагрівали деталі до температури Т3=1050°С. При даній температурі витримували деталі протягом 600с, після чого охолоджували у вакуумній камері. Механічні випробування зварних з'єднань показали стабільні результати по міцності (не менші міцності армко-заліза). Границя міцності при розтягуванні складала не менше sв=390МПа. Руйн ування відбувалося по армко-залізу. Вивчення мікроструктури показало високу якість з'єднання (Фіг.3). Для порівняння здійснювали зварювання за схемою прототипу при наступних параметрах: температура Т=1050°С, стискувальне зусилля, що забезпечує тиск Рзв=20,0МПа, час зварювання t=900c. Механічні випробування зварних з'єднань показали, що границя міцності при розтягуванні склала sв=230...310МПа. Руйнування відбувалося по зварному шву. Проводили дифузійне зварювання деталі, виготовленої з міді М1 (1) і деталі (2) з армко-заліза (Фіг.4). Деталі встановлювали в зварювальну камеру установки дифузійного зварювання і після досягнення вакуум у 10 4 мм.рт.ст. нагрівали до температури Т1=900°С і стискували постійним зусиллям, яке забезпечує тиск Рзв=8,0МПа. Потім знижували температуру до Т2=500°С зі швидкістю 2°С/с. По досягненні T2 підвищували температуру з тією ж швидкістю до Т1 і так три цикли (Фіг.5). В останньому циклі нагрівали деталі до температури Т3=950°С. При даній температурі витримували деталі протягом 700с, після чого охолоджували у вакуумній камері. Механічні випробування зварних з'єднань показали стабільні результати по міцності (не менші міцності міді М1). Границя міцності при розтягуванні складала не менше sв=240МПа. Руйн ування відбувалося по міді М1. Вивчення мікроструктури показало високу якість з'єднання (Фіг.6). Для порівняння здійснювали зварювання за схемою прототипу при наступних параметрах: температура Т=1000°С, стискувальне зусилля, що забезпечує тиск Рзв=10,0МПа, час зварювання t=1000с. Механічні випробування зварних з'єднань показали, що границя міцності при розтягуванні склала sв=110...180МПа. Руйн ування відбувалося по зварному шву. Використання корисної моделі в порівнянні з відомим способом дозволяє інтенсифікувати процес дифузійного зварювання, підвищити міцність зварного з'єднання на 5...15%, знизити величину зварювальних деформацій шляхом зосередження деформацій в зоні контакту, вибірково знизити один з параметрів зварювання (температуру, тиск, час) і підвищити якість зварювання. При цьому відсутня необхідність у застосуванні додаткового устаткування, а також можливо з'єднувати деталі різноманітної форми.